JP4530616B2 - Devices using polythiophenes - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般的に、有機超小形電子デバイスに関し、より詳細には、実施の形態において、薄膜トランジスタの活物質としてのポリチオフェン類の使用に関する。
【0002】
【従来の技術】
薄膜トランジスタ(TFT)の活性半導体材料として有用な、ある種のポリチオフェン類などの半導体ポリマーが報告されている。これらのポリマーの多くは有機溶媒に適度に良好な溶解度を持つため、例えば、スピンコーティング、溶液キャスティング、浸漬塗布、スクリーン印刷、スタンプ印刷、ジェット印刷等の溶液処理によってTFT内の半導体チャネル層に加工することができる。通常の溶液処理によって加工できることは、水素化アモルファスシリコンTFTなどのシリコンベースのデバイスに特有のコストの高い従来のフォトリソグラフ処理に比べ、その製造をより簡単かつ低コストにする。更に、ポリマーTFTと呼ばれる、優れた機械的耐久性と構造可撓性とを備えた、ポリチオフェン類などのポリマー材料から作られたトランジスタが望まれている。プラスチック基板上の可撓性TFTの製造のためには、優れた機械的耐久性と構造可撓性が非常に望ましい。可撓性TFTは、構造可撓性と機械的耐久性の特性を通常必要とする電子的デバイスの設計を可能にすると考えられる。有機又はポリマートランジスタ要素と共にプラスチック基板を用いれば、従来の堅牢なシリコンTFTを、機械的により頑丈で、構造可撓性のポリマーTFT設計に代えることができる。後者は、大面積画像センサ、電子ペーパー、その他可撓性TFTとしての表示媒体などの大面積デバイスを、小型で構造可撓性の設計とすることが可能になる点で特に興味深い。また、スマートカードや無線周波データキャリア(RFID)タグなどの低価格のマイクロエレクトロニクス用集積回路論理素子や、メモリ/記憶デバイスにポリマーTFTを用いると、その機械的耐久性が著しく向上し、その使用可能寿命が長くなる。
【0003】
【特許文献1】
米国特許6,150,191号
【特許文献2】
米国特許6,107,117号
【特許文献3】
米国特許5,969,376号
【特許文献4】
米国特許5,619,357号
【特許文献5】
米国特許5,777,070号
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、半導体ポリチオフェン類の多くは、周囲の酸素によって酸化的にドープされ、導電率が増大するため、空気に触れると安定ではない。この結果、これらの材料から製造したデバイスではオフ電流が大きくなり、このため電流オン/オフ比が小さくなってしまう。従ってこれらの材料の多くは、材料加工とデバイス製造の際には環境酸素を排除して酸化的ドーピングを防止するよう厳重な対策を講じなければならない。この予防策は製造コストを押し上げるため、特に大面積デバイスのための、アモルファスシリコン技術に代わる経済的な技術としてのある種のポリマーTFTの魅力が削がれてしまう。これら及びその他の欠点は、本発明の実施の形態において回避され、あるいは最小となる。
【0005】
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、薄膜トランジスタデバイスのような超小形電子デバイスの用途に有用な、ポリチオフェン類などの半導体ポリマーの提供を目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明の参考態様は次のとおりである。下記化の構造式(I)を持つポリチオフェンを含む電子的デバイス。
【0007】
【化2】
式中、R及びR’は側鎖であり、Aは二価結合基であり、x及びyは非置換チエニレン単位の数を示し、zは0又は1であり、xとyとの和は0より大きく、mはセグメントの数を示し、nは重合度を示す。;R及びR’はそれぞれ独立して、アルキル及び置換アルキルより選ばれ、Aはアリーレンである電子的デバイス。;R及びR’は約3〜約20の炭素原子を含むデバイス。;R及びR’はそれぞれ独立して、アルキルとアルキル誘導体とから成る群より選ばれるものであって、アルキル誘導体は、アルコキシアルキル、シロキシ置換アルキル、パーフルオロアルキルであるパーハロアルキル、及びポリエーテルであり、Aは、フェニレン、ビフェニレン、フェナントレニレン、ジヒドロフェナントレニレン、フルオレニレン、オリゴアリーレン、メチレン、ポリメチレン、ジアルキルメチレン、ジオキシアルキレン、ジオキシアリーレン、及びオリゴエチレンオキシドである、アリーレンから成る群より選ばれる電子的デバイス。;R及びR’はそれぞれ独立してプロピル、ブチル、ペンチル、ヘキシル、ヘプチル、オクチル、ノニル、デシル、ウンデシル、ドデシル、トリデシル、テトラデシル、ペンタデシル、及びそれらの異性体から成る群より選ばれるデバイス。;Aは、炭素数約6〜約40のアリーレンであるデバイス。;R及びR’は、ヘキシル、ヘプチル、オクチル、ノニル、デシル、ウンデシル、ドデシル、トリデシル、テトラデシル、及びペンタデシルから成る群より選ばれ、Aは、フェニレン、ビフェニレン、及びフルオレニレンから成る群より選ばれ、x及びyはそれぞれ独立して0〜約10の数であり、mは1〜約5の数であるデバイス。;nは約7〜約5,000であり、いずれもポリスチレン標準を用いたゲル浸透クロマトグラフ法より求めた、ポリチオフェンの数平均分子量(M)は約2,000〜約10万であり、重量平均分子量(M)は約4,000〜約50万である電子的デバイス。;基板と、ゲート電極と、ゲート誘電体層と、ソース電極及びドレイン電極と、ソース及びドレイン電極とゲート誘電体層とに接した半導体層と、を含み、半導体層はポリチオフェンを含む薄膜トランジスタ。;R及びR’はそれぞれ独立して、アルキル、アルコキシアルキル、シロキシ置換アルキル、及びパーハロアルキルから成る群より選ばれ、Aは、フェニレン、ビフェニレン、フェナントレニレン、ジヒドロフェナントレニレン、フルオレニレン、オリゴアリーレン、メチレン、ポリメチレン、ジアルキルメチレン、ジオキシアルキレン、ジオキシアリーレン、及びオリゴエチレンオキシドから成る群より選ばれる薄膜トランジスタデバイス。;nは約5〜約5,000であり、いずれもポリスチレン標準を用いたゲル浸透クロマトグラフ法より求めた、ポリチオフェンの数平均分子量(M)は約4,000〜約5万であり、重量平均分子量(M)は約5,000〜約10万である薄膜トランジスタデバイス。;R及びR’は約3〜約20の炭素原子を含むアルキルである薄膜トランジスタデバイス。;Aは炭素数約6〜約30のアリーレンである薄膜トランジスタデバイス。;Aは炭素数約6〜約24のアリーレンである薄膜トランジスタデバイス。;Aは、フェニレン、ビフェニレン、又はフルオレニレンである薄膜トランジスタデバイス。;保護層を備えた薄膜トランジスタデバイス。;下記化3に記載の構造式(2)で表されるポリチオフェンを含み、式中、nは重合度であって、5から5000である薄膜トランジスタ
【0008】
【化3】
【化4】
【化5】
;nは約5〜約5,000であるデバイス。;nは約10〜約1,000であるデバイス。;Mは約4,000〜約5万、Mは約5,000〜約10万であるデバイス。;参考態様のポリチオフェンは、下記化6,7に記載の構造式(1)〜(8)を持つポリチオフェン類から成る群より選ばれるデバイス。
【0009】
【化6】
【化7】
参考態様のポリチオフェンは、下記化8から化11に記載の構造式(1)〜(14)を持つポリチオフェン類から成る群より選ばれる薄膜トランジスタデバイス。
【0010】
【化8】
【化9】
【化10】
【化11】
参考態様のポリチオフェンは、下記化12,13に記載の構造式(1)〜(8)を持ち、必要に応じて、式中、nは約5〜約5,000であるポリチオフェン類から成る群より選ばれる薄膜トランジスタデバイス。
【0011】
【化12】
【化13】
;x、y、及びmは1〜3であり、zは0又は1であり、デバイスは薄膜トランジスタであるデバイス。;x、y、及びmは1であり、zは0又は1であり、デバイスは薄膜トランジスタであるデバイス。;x、y、及びmは1であり、zは0又は1であり、あるいは、x、y、及びmは1であり、zは0であり、デバイスは薄膜トランジスタであるデバイス。;基板は、ポリエステル、ポリカーボネート、又はポリイミドであるプラスチックシートであり、ゲート、ソース、及びドレイン電極は、金、ニッケル、アルミニウム、プラチナ、酸化インジウムチタン、又は導電性ポリマーを含み、ゲート誘電体層は、窒化ケイ素、酸化ケイ素、又は絶縁性ポリマーを含むものである薄膜トランジスタデバイス。;基板は、ガラス又はプラスチックシートであり、ゲート、ソース、及びドレイン電極はそれぞれ金を含み、ゲート誘電体層は、ポリ(メタクリレート)、ポリ(ビニルフェノール)である有機ポリマーを含むものである薄膜トランジスタデバイス。;ゲート、ソース、及びドレイン電極は、ポリスチレンスルホナートをドープしたポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)であるドープした有機導電性ポリマー、あるいは、ポリマーバインダ中にコロイド状に分散した銀を含む導電性インキ/ペーストから製造され、ゲート誘電体層は、有機ポリマー又は無機酸化物粒子−ポリマー複合材である薄膜トランジスタデバイス。;下記化14に包含されるポリチオフェン類。
【0012】
【化14】
式中、R及びR’は側鎖であって、それぞれ独立して例えば、アルキル及びアルキル誘導体から成る群より選ばれ、アルキル誘導体は、アルコキシアルキル、シロキシ置換アルキル、パーフルオロアルキルなどのパーハロアルキル、オリゴエチレンオキシドなどのポリエーテル、ポリシロキシ、等であり、Aは二価結合基であって、例えば、フェニレン、ビフェニレン、フェナントレニレン、ジヒドロフェナントレニレン、フルオレニレン、オリゴアリーレン、メチレン、ポリメチレン、ジアルキルメチレン、ジオキシアルキレン、ジオキシアリーレン、及びオリゴエチレンオキシド、等のアリーレンから成る群より選ばれ、x及びyはそれぞれ独立して0〜10より選ばれる整数であり、zは0又は1のいずれかであり、xとyとの和は0より大きく、mは1〜約5の整数であり、nは重合度であって、通常、約5〜5,000以上、より詳細には約10〜約1,000とすることができる。いずれもポリスチレン標準を用いたゲル浸透クロマトグラフ法より求めた、ポリチオフェン類の数平均分子量(M)は、例えば約2,000〜約10万、より詳細には約4,000〜約5万とすることができ、その重量平均分子量(M)は約4,000〜約50万、より詳細には約5,000〜約10万とすることができる。
【0013】
側鎖R及びR’の例としては、例えば炭素数約1〜約25、より詳細には約4〜約12の、ブチル、ペンチル、ヘキシル、ヘプチル、オクチル、ノニル、デシル、ウンデシル、ドデシル、それらの異性体、等のアルキル、炭素数1〜約25の、例えば、メトキシプロピル、メトキシブチル、メトキシヘキシル、メトキシヘプチル、等のアルコキシアルキル、ポリエチレンオキシドなどのポリエーテル鎖、パーフルオロアルキル(例えば、ノナフルオロヘキシル、ノナフルオロヘプチル、ペンタデカフルオロオクチル、トリデカフルオロノニル、等)などのパーハロアルキル、トリアルキルシロキシアルキル等のポリシロキシ鎖などが挙げられる。
【0014】
使用されるポリチオフェン類は、繰り返しチエニレン単位を含むことができ、その中では特定のチエニレンだけが側鎖を持ち、またチエニレン単位はポリチオフェン主鎖上に位置規則性(レジオレギュラ:regioregular)に配列している。
【0015】
このポリチオフェン類は実施の形態において実質的に安定であり、周囲条件でこれを用いたデバイスの製造が可能である。またそのデバイスは高い電流オン/オフ比を持ち、更に操作上より安定で、その性能は通常、位置規則性ポリ(3−アルキルチオフェン−2,5−ジイル)などの公知の位置規則性ポリチオフェン類から製造したもののように急激に低下することがない。より詳細には、本発明のポリチオフェン類は実施の形態において、非置換の2,5−チエニレン単位と、必要に応じて二価結合基とに挾まれた、3,4−二置換−2,5−チエニレン単位の繰り返しセグメントを含む。側鎖は、薄膜製造の際にポリチオフェン類の分子自己組織化の誘発及び促進を促す。多少の回転自由度を持つ非置換チエニレン単位と必要に応じた二価結合基は、ポリチオフェン鎖に沿って伸びるπ共役を妨げ、その酸化的ドーピング傾向を抑制することができる。
【0016】
本発明は、上記特徴により、薄膜トランジスタデバイスのような超小形電子デバイスの用途に有用な、ポリチオフェン類などの半導体ポリマーの提供することができる。
【0017】
また、本発明は、その薄膜の吸収スペクトルから求めたバンドギャップが約1.5〜約3eVであるポリチオフェン類の提供であり、このポリチオフェン類は、薄膜トランジスタ半導体チャネル層材料としての使用に適する。
【0018】
更に本発明は、超小形電子部品として有用なポリチオフェン類の提供であり、このポリチオフェン類は、ジクロロメタン、テトラヒドロフラン、トルエン、キシレン、メシチレン、クロロベンゼン等の一般的な有機溶媒に適度な、例えば約0.1重量%以上の溶解度を持ち、このためスピンコーティング、スクリーン印刷、スタンプ印刷、浸漬塗布、溶液キャスティング、ジェット印刷等の溶液処理によって経済的に加工することができる。
【0019】
別の本発明の特徴は、ポリチオフェンチャネル層を持ち、その層の導電率が10-6〜約10-9S/cm(ジーメンス/センチメートル)である薄膜トランジスタなどの電子的デバイスの提供である。
【0020】
また更に本発明の特徴は、ポリチオフェン類とそれを用いたデバイスの提供であり、このデバイスは酸素の悪影響に対して優れた抵抗性を示し、つまりこのデバイスは比較的高い電流オン/オフ比を示し、その性能は通常、位置規則性ポリ(3−アルキルチオフェン−2,5−ジイル)などの位置規則性ポリチオフェン類から製造したもののように急激に低下することなく、あるいは最小限の低下と同程度である。
【0021】
また別の本発明の特徴は、特殊な構造的特徴を持ち、これにより適当な加工条件下において分子が自己配列し、またその構造的特徴がデバイス性能の安定性をも向上させるようなポリチオフェン類の提供である。適当な分子配列は、薄膜中により高次の分子構造配列を形成し、効率良く電荷キャリアを移動させて高い電気的性能を可能とする。
【0022】
【発明の実施の形態】
本実施の形態における薄膜トランジスタは、下記化15に記載の構造式(2)で表されるポリチオフェンを含み、式中、nは重合度であって、5から5000であることを特徴とする。ポリチオフェン類の例下記化15から化18に示す
【0023】
【化15】
【化16】
【化17】
【化18】
構造式(I)を参照するならば、ポリチオフェン類は、3,4−二置換−2,5−チエニレン単位と、非置換2,5−チエニレン単位と、必要に応じて二価の結合基との位置規則性セグメントを含むものである。ポリチオフェン(I)(構造式(1)〜(14)を参照)中の側鎖の位置規則性は、適当な加工条件下で薄膜を製造する際に分子の自己配列を誘導し、薄膜中に高度に組織化された微細構造を作ることができると考えられる。薄膜トランジスタの半導体チャネル層中の高次の微細構造はトランジスタ性能を向上する。これらのポリチオフェン類は、適当な溶媒系に溶解した溶液から厚さ約10〜約500nmの薄膜を作ると、強い分子内π−πスタックが形成され、導電性となって効率良く電荷キャリヤを移動すると考えられる。(I)中の非置換チエニレン部分は多少の回転自由度を持つため、酸化的ドーピングを十分に抑制する程度に(I)の分子内に広がるπ共役を妨げる。従って、このポリチオフェン類は周囲条件下で安定であり、これらのポリチオフェン類から製造したデバイスは、位置規則性ポリ(3−アルキルチオフェン−2,5−ジイル)などの位置規則性ポリチオフェン類より機能的により安定である。保護しなくても、構造式(I)のポリチオフェン類から製造したデバイスは、その実施の形態において、通常数週間から数ヶ月間、例えば約3〜約12週間も安定である。これに対し、位置規則性ポリ(3−アルキルチオフェン−2,5−ジイル)を用いたデバイスは、周囲の酸素に曝すと数日で、例えば5日足らずで劣化してしまう。本願のポリチオフェン類から製造したデバイスはまた、高い電流オン/オフ比を持ち、その性能は、材料調製、デバイス製造、及び評価の際に周囲の酸素を排除するよう厳しい操作上の予防措置を講じなくても、ポリ(3−アルキルチオフェン−2,5−ジイル)のものほど急激には変化しない。酸化的ドーピングに対して安定な材料は、低コストデバイスの製造には特に有用である。この材料はより安定であるため、通常、厳重に不活性な雰囲気中で取り扱う必要がなく、故にその製造工程がより単純かつ低コストで、その工程をシンプルな大規模製造工程とすることができる。
【0024】
実施の形態においてこのポリチオフェン類は、一般的な被覆用溶媒に可溶であり、例えば、ジクロロメタン、1,2−ジクロロエタン、テトラヒドロフラン、トルエン、キシレン、メシチレン、クロロベンゼン等の溶媒に約0.1重量%以上、より詳細には約0.5〜約15重量%の溶解度を持つ。更に、このポリチオフェン類を薄膜トランジスタデバイスの半導体チャネル層に加工すると安定した導電率となり、例えば、一般的な4プローブ伝導率測定法によれば、約10-9〜約10-6S/cm、より詳細には約10-8〜約10-7S/cmである。
【0025】
本発明のポリチオフェン類は、適切に組み立てられたモノマー、例えば、トリチオフェンモノマーの重合により調製可能である。例えば、スキーム1に従って例示のポリチオフェン類(Ia)及び(Ib)を調製するには、2,5−ビス(2−チエニル)−3,4−ジ−R−チオフェン(IIa)、又は2,5−ビス(5−ブロモ−2−チエニル)−3,4−ジ−R−チオフェン(IIb)を用いる。モノマー類(IIa)及び(IIb)はそれぞれその中央のチエニレン単位上に2つの側鎖を持つため、重合すると側鎖がそれぞれのポリチオフェン主鎖上に位置規則性に並んだポリチオフェン類(Ia)及び(Ib)となる。位置規則性カップリング反応が必要なポリ(3−アルキルチオフェン−2,5−ジイル)などの位置規則性ポリチオフェン類の調製とは異なり、本発明のポリチオフェン類は、位置規則性の複雑さの無い通常の重合法により調製できる。詳細には、(Ia)は、FeCl3を介在させた酸化的カップリング重合によりモノマー (IIa)から、あるいはレイケ(Reike)亜鉛で処理後Ni(dppe)Cl2触媒を加えることによりモノマー(IIb)から調製できる。一方、ポリチオフェン(Ib)は、適当なアリーレンジボロナートとのスズキカップリング反応により(IIb)から容易に得ることができる。
【0026】
【化19】
詳細には、(IIa)の重合は、乾燥空気の気流中で、塩化物溶媒、例えばクロロホルムに溶解した(IIa)の1モル量の溶液を、約1〜約5モル当量の無水FeClのクロロホルム懸濁液に加えることにより行うことができる。得られた混合物を、乾燥空気気流中、あるいは乾燥空気の泡をゆっくり反応混合物中に通しながら、約25〜約50℃の温度で、約30分〜約48時間反応させる。反応後、反応混合物を水又は希塩酸水溶液で洗い、希アンモニア水溶液と撹拌した後に水で洗い、次にメタノール又はアセトンから沈殿させてポリマー生成物を単離する。レイケ亜鉛法では、無水テトラヒドロフランに溶解した10ミリモル当量の(IIb)を、11ミリモル当量の調製直後のレイケZnの無水テトラヒドロフラン懸濁液に、20〜40分かけて良く撹拌しながら滴下して加え、次に得られた混合物を、室温(約22〜約25℃)で約30分〜約2時間反応させる。続いて、約0.1ミリモル当量のNi(dppe)Clの無水テトラヒドロフラン懸濁液を約10〜約20分かけてゆっくり加え、次に混合物を約40〜約65℃で2〜5時間加熱する。次に反応混合物を、激しくかき混ぜながら希塩酸−メタノール溶液に注ぎ、ポリマー生成物を沈殿させる。後者を熱テトラヒドロフランに再溶解した後、希アンモニア−メタノール溶液から再沈殿させる。
【0027】
より詳細には、ポリチオフェン(Ib)は、モノマー(IIb)と適当なアリーレンジボロナートとのスズキカップリング反応より得られる。等モル当量のモノマー(IIb)とアリーレンジボロナートとのトルエン溶液と、約2〜6モル%のテトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウムと、1〜2Mの水溶液とした約2〜約4モル等量の炭酸ナトリウムなどの無機塩基と、約1〜5モル%の、テトラブチルアンモニウム=クロリド又はトリカプリリルメチルアンモニウム=クロリドなどの相間移動触媒との混合物を、不活性雰囲気中で48時間、約90℃に加熱する。重合後、ポリチオフェン生成物(Ib)をメタノールから繰り返し沈殿させて単離する。
【0028】
本発明の様々な代表的な実施の形態を図1〜図4に示す。ここでは薄膜トランジスタ(TFT)構造体中のチャネル材料としてポリチオフェン類を用いている。
【0029】
図1は、基板16と、それに接した金属接点18(ゲート電極)と、絶縁性誘電体層14の層と、その上又はその頂部に置かれた2つの金属接点20及び22(ソース及びドレイン電極)とを含む薄膜トランジスタ構造体10の概略図である。金属接点20及び22の上と間にはポリチオフェン半導体層12がある。
【0030】
図2は、基板36と、ゲート電極38と、ソース電極40と、ドレイン電極42と、絶縁性誘電体層34と、ポリチオフェン半導体層32とを含む、別の薄膜トランジスタ構造体30の概略図である。
【0031】
図3は、ゲート電極として作用する高濃度n−ドープシリコンウエハ56と、熱により生成した酸化ケイ素誘電体層54と、ポリチオフェン半導体層52と、その上に置かれたソース電極60とドレイン電極62とを含む薄膜トランジスタ構造体50の概略図である。
【0032】
図4は、基板76と、ゲート電極78と、ソース電極80と、ドレイン電極82と、ポリチオフェン半導体層72と、絶縁性誘電体層74とを含む、別の薄膜トランジスタ構造体70の概略図である。
【0033】
本発明の一部の実施の形態では、必要に応じて、図1〜図4の各トランジスタ構造体の上に保護層を加えても良い。図4の薄膜トランジスタ構造体では、絶縁性誘電体層74は保護層として機能することもできる。
【0034】
基板層は一般に、目的とする用途に応じて、様々な適当な形のシリコンを含むシリコン材料、ガラス板、プラスチックフィルム又はシート、等である。構造可撓性のデバイスでは、例えば、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリイミドシート等のプラスチック基板が望ましい。基板の厚さは、約10μm〜10mm以上であり、詳細な厚さは、特に可撓性のプラスチック基板では約50〜約100μm、ガラス又はシリコンなどの堅牢な基板では約1〜約10mmである。
【0035】
ゲート電極をソース及びドレイン電極と隔て、半導体層に接している絶縁性誘電体層は一般に、無機材料膜、有機ポリマー膜、又は有機−無機複合材膜とすることができる。誘電体層の厚さは、例えば約10nm〜約1μm、より詳細な厚さは約100〜約500nmである。誘電体層に適した無機材料の具体例としては、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、チタン酸バリウム、ジルコン酸チタン酸バリウム、等が挙げられ、誘電体層に適した有機ポリマーの具体例としては、ポリエステル類、ポリカーボネート類、ポリ(ビニルフェノール)、ポリイミド類、ポリスチレン、ポリ(メタクリレート)類、ポリ(アクリレート)類、エポキシ樹脂、等が挙げられ、無機−有機複合材料の具体例としては、ポリエステル、ポリイミド、エポキシ樹脂等のポリマー中に分散した超微小金属酸化物粒子などが挙げられる。絶縁性誘電体層の厚さは通常、使用する誘電体材料の比誘電率に応じて約50〜約500nmである。より詳細には、誘電体材料は約3以上の比誘電率を持つため、約300nmの適当な誘電体の厚さがあれば望ましい静電容量、例えば約10-9〜約10-7F/cm2とすることができる。
【0036】
誘電体層とソース/ドレイン電極との間に接して、本願に述べるポリチオフェン類を含む活性半導体層を置く。この層の厚さは通常約10nm〜約1μm、又は約40〜約100nmである。この層は通常、スピンコーティング、キャスティング、スクリーン、スタンプ、又はジェット印刷などの溶液処理によって本発明のポリチオフェン類の溶液から製造可能である。
【0037】
ゲート電極は、金属薄膜、導電性ポリマー膜、導電性インキ又はペーストから作った導電性膜、あるいは基板自体(例えば、高濃度にドープしたシリコン)とすることができる。ゲート電極材料の例としては、アルミニウム、金、クロム、酸化インジウムスズ、導電性ポリマー類、導電性インキ/ペースト等が挙げられるが、これらに限るものではない。導電性ポリマーは、ポリスチレンスルホナートをドープしたポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)(PSS−/PEDOT)などであり、導電性インキ/ペーストは、カーボンブラック/グラファイト又はコロイド状の銀をポリマーバインダ中に分散したもの(例えば、アチソン・コロイズ社(Acheson Colloids Company)製のエレクトロダグ(ELECTRODAG))や、銀を充填した導電性熱可塑性インキ(ノエル・インダストリーズ(Noelle Industries)製)である。ゲート層は、真空蒸着、金属や導電性金属酸化物のスパッタリング、導電性ポリマー溶液又は導電性インキのスピンコーティング、キャスティング、又は印刷による塗布によって調製できる。ゲート電極層の厚さは約10nm〜約10μmの範囲であり、金属薄膜に望ましい厚さは約10〜約200nmの範囲であり、ポリマー導電体では約1〜約10μmの範囲である。
【0038】
ソース及びドレイン電極層は、半導体層に対して低抵抗オーム接触となる材料から製造することができる。ソース及びドレイン電極としての使用に適した典型的な材料は、金、ニッケル、アルミニウム、プラチナ、導電性ポリマー、導電性インキなどのゲート電極材料として挙げられたものなどである。この層の典型的な厚さは、例えば約40nm〜約1μmであり、より詳細な厚さは約100〜約400nmである。TFTデバイス構造体は、幅W、長さLの半導体チャネルから成る。半導体チャネル幅は約10μm〜約5mmであり、望ましいチャネル幅は約100μm〜約1mmである。半導体チャネル長さは約1μm〜約1mmであり、より詳細なチャネル長さは約5〜約100μmである。
【0039】
ソース電極は接地しており、通常約+10〜約−80ボルトの電圧をゲート電極に印加したときに、半導体チャネルを通って移動する電荷キャリヤを集めるため、通常約0〜約−80ボルトのバイアス電圧をドレイン電極に印加する。
【0040】
【実施例】
a)デバイスの製造:
基本的な供試デバイス配置として、図1及び図3にそれぞれ図示したボトムコンタクト型及びトップコンタクト型薄膜トランジスタ構造体を用いた。ボトムコンタクト型供試デバイスは、ガラス基板上に写真平板で予めパターンを形成した一連のトランジスタの誘電体層と、規定のチャネル幅と長さの電極とを含むものである。ガラス基板上のゲート電極は厚さ約80nmのクロムから成るものであった。ゲート誘電体は、約22nF/cm2(ナノファラッド/平方センチメートル)の静電容量を持つ、厚さ300nmの窒化ケイ素であった。ゲート誘電体層の頂部又はその上に被覆して、厚さ約100nmの金から成るソース及びドレイン接点を真空蒸着した。次に、厚さ約30〜約100nmの供試ポリチオフェン半導体層を、周囲の酸素、湿気、又は光への暴露を防止する対策を何ら講じることなく、周囲条件下でスピンコーティングにより塗布した。半導体層の製造に用いた溶液は、適当な溶媒に溶解した1重量%のポリチオフェンから成るものであり、使用前に0.45μmのフィルタで濾過した。スピンコーティングは、回転速度1,000rpmで約35秒間行った。得られた被覆デバイスは、真空中80℃で20時間乾燥した後、評価に供した。
【0041】
トップコンタクト型供試デバイスは、n−ドープシリコンウエハと、その上に熱生成させた厚さ約110nmの酸化ケイ素層とを含む。ウエハがゲート電極として機能する一方、酸化ケイ素層はゲート誘電体として働き、その静電容量は約32nF/cm2であった。シリコンウエハをまずメタノールで清浄にし、空気乾燥後、0.01Mの1,1,1,3,3,3−ヘキサメチルジシラザンのジクロロメタン溶液に、室温(22〜25℃)で30分間浸した。次にこのウエハをジクロロメタンで洗い、乾燥した。スピンコーティングにより、厚さ約30〜約100nmの半導体ポリチオフェン層を酸化ケイ素誘電体層の上に塗布し、真空中80℃で20時間乾燥した。デバイス製造の際、周囲の酸素、湿気、又は光への材料の暴露を防止する対策は講じなかった。次に、金のソース及びドレイン電極を、半導体ポリチオフェン層の上に、様々なチャネル長さと幅のシャドウマスクを通して真空蒸着し、様々な大きさの一連のトランジスタを製作した。念のため製造後のデバイスは、評価の前後には相対湿度約30%の乾燥雰囲気中、暗所で保存した。
【0042】
b)TFTデバイスの特性評価:
電界効果トランジスタの性能を、キースリー(Keithley)4200SCS半導体特性評価デバイスを用いて、暗箱中周囲条件で評価した。キャリヤ移動度(μ)は、飽和領域(ゲート電圧、VG<ソース−ドレイン電圧、VSD)におけるデータより、下記の式(1)に従って計算した。
【0043】
【式1】
SD=Ciμ(W/2L)(VG−VT2 (1)
式中、ISDは飽和領域におけるドレイン電流であり、WとLはそれぞれ半導体チャネルの幅と長さであり、Ciはゲート誘電体層の単位面積当たりの静電容量であり、VG及びVTはそれぞれ、ゲート電圧及びしきい電圧である。このデバイスのVTは、飽和領域におけるISDの平方根と、測定データからISD=0を外挿して求めたデバイスのVGとの関係から求めた。
【0044】
薄膜トランジスタの特性を表す値は、その電流オン/オフ比である。これはゲート電圧VGがドレイン電圧VDと等しいかそれ以上であるときの飽和ソース−ドレイン電流と、ゲート電圧VGがゼロの時のソース−ドレイン電流との比である。
【0045】
比較例
公知の位置規則性ポリチオフェン、ポリ(3−ヘキシルチオフェン−2,5−ジイル)を用いる以外は本質的に前記の手順を繰り返して、図1及び図3にそれぞれ示したボトムコンタクト型デバイス及びトップコンタクト型デバイスを製作した。この材料はアルドリッチ・ケミカル(Aldrich Chemical)より購入し、そのクロロベンゼン溶液からメタノールへの沈殿を3回繰り返して精製した。
【0046】
半導体ポリチオフェン層は、前述の手法に従い、1重量%の位置規則性ポリ(3−ヘキシルチオフェン−2,5−ジイル)のクロロベンゼン溶液のスピンコーティングにより、周囲条件下でデバイス上に被覆した。このデバイスは、評価前に真空中80℃で20時間乾燥した。各デバイスに対し5個以上のトランジスタから得た平均特性値を次にまとめた。
(1) ボトムコンタクト型デバイス(W=1,000μm,L=10μm)
移動度:1〜2.3×10-3cm2/V.sec
初期電流オン/オフ比:0.8〜1×103
5日後の電流オン/オフ比:5〜10
(2) トップコンタクト型デバイス(W=5,000μm,L=60μm)
移動度:1〜1.2×10-2cm2/V.sec
初期電流オン/オフ比:1.5〜2.1×103
5日後の電流オン/オフ比:5〜10
【0047】
観察された初期電流オン/オフ比が低いのは、ポリ(3−ヘキシルチオフェン−2,5−ジイル)が酸化的ドーピングを受け易く、すなわち環境酸素の存在下ではポリ(3−ヘキシルチオフェン−2,5−ジイル)が不安定であることを示している。僅か5日間のうちに電流オン/オフ比が著しく減少するのも、周囲条件でのポリ(3−ヘキシルチオフェン−2,5−ジイル)の甚だしい機能不安定性を更に裏付けている。
【0048】
実施例
(a)ポリ[2,5−ビス(2−チエニル)−3,4−ジオクチルチオフェン](2)の合成
i)モノマーの合成:ポリチオフェン(2)の調製に用いるモノマー、2,5−ビス(5−ブロモ−2−チエニル)−3,4−ジオクチルチオフェンを次のように合成した。
【0049】
3,4−ジオクチルチオフェン:不活性雰囲気中、氷浴で冷却した500mlの丸底フラスコ中で、200mlの無水ジエチルエーテルに溶解したジクロロ[1,3−ビス(ジフェニルホスフィノ)プロパン]ニッケル(II)(0.2g)と、3,4−ジブロモチオフェン(20.16g、0.0833mol)との混合物を良くかき混ぜながら、これに2Mのオクチルマグネシウム=ブロミド(100ml、0.2mol)の無水ジエチルエーテル溶液を加えた。ニッケル錯体はすぐにグリニャール試薬と反応し、得られた反応混合物を室温まで暖まるに任せた。発熱反応は30分以内に始まり、ジエチルエーテルが穏やかに還流し始めた。更に2時間室温で撹拌後、反応混合物を6時間還流し、氷浴で冷やし、2Nの塩酸水溶液で加水分解した。有機層を分け、水で、次に塩水で洗い、再び水で洗った後、無水硫酸ナトリウムに通して乾燥させた。溶媒を蒸発後、残留物をクーゲルロア(Kugelrohr)デバイスに通して減圧下で蒸留し、無色液体として21.3gの3,4−ジオクチルチオフェンを得た。
1H−NMR(CDCl3):δ6.89(s,2H),2.50(t,J=7.0Hz,4H),1.64−1.58(m,4H), 1.40−1.28(m,20H),0.89(t, J=6.5Hz,6H)
13C−NMR(CDCl3):δ142.1,119.8,31.9,29.6(2C),29.5,29.3,28.8,22.7,14.1
【0050】
2,5−ジブロモ−3,4−ジオクチルチオフェン:100mlの丸底フラスコ中で、30mlのジクロロメタンと10mlの酢酸との混合物に溶解した3,4−ジオクチルチオフェン(3.6g、11.7mmol)の溶液を良く撹拌しながら、これにN−ブロモスクシンイミド(4.6g、25.7mmol)を加えた。薄層クロマトグラフ法により反応の様子を観察したところ、約35分で完了した。この混合物を160mlのジクロロメタンで希釈し、濾過してスクシンイミドを除いた。濾液を2Nの水酸化ナトリウム水溶液で洗い、次に水で2回洗った(2×100ml)。無水硫酸ナトリウムで乾燥後溶媒を除き、淡黄色の液体として5.4gの2,5−ジブロモ−3,4−ジオクチルチオフェンを得た。
1H−NMR(CDCl3):δ2.50(t,J=7.0Hz,4H),1.52−1.28(m,24H),0.89(t,J=6.5Hz,6H)
【0051】
2,5−ビス(2−チエニル)−3,4−ジオクチルチオフェン:不活性雰囲気中の乾燥箱の中、250mlの丸底フラスコ中で、無水テトラヒドロフラン(50ml)に溶解した、2,5−ジブロモ−3,4−ジオクチルチオフェン(4.2g、9.0mmol)と、2−(トリブチルスズ)チオフェン(7.4g、19.8mmol)との混合物に、Pd(PPh32Cl2(0.15g,0.2mmol)を加えた。次にこの混合物を12時間還流し、溶媒を留去した。こうして得られた粗生成物を、溶離液としてヘキサンを用いたシリカゲル上でのフラッシュ(flash)クロマトグラフ法により精製し、3.1gの2,5−ビス(2−チエニル)−3,4−ジオクチルチオフェンを得た。
1H−NMR(CDCl3):δ7.31(dd,J=3.2,0.5Hz,2 H),7.13(dd,J=2.2,0.5Hz,2H),7.06(dd,J=2.2,4.5Hz, 2H),2.68(dd,J=7.6,7.6Hz, 4H),1.59−1.53(m,4H),1.42−1.27(m,20H),0.91(t,J=6.5Hz,6H)
【0052】
2,5−ビス(5−ブロモ−2−チエニル)−3,4−ジオクチルチオフェン:氷浴で冷却した100mlの丸底フラスコ中で、N,N−ジメチルホルムアミド(30ml)に溶解した2,5−ビス(2−チエニル)−3,4−ジオクチルチオフェン(3.6g、7.6mmol)の溶液を良く撹拌しながら、これにN−ブロモスクシンイミド(2.8g、15.7mmol)を加えた。添加後、混合物がゆっくりと室温まで暖まるに任せた。薄層クロマトグラフ法で反応を観察したところ、3時間後には反応は止まった。得られた混合物をヘキサン(170ml)で希釈し、100mlの水で3回洗った。有機層を分け、無水硫酸ナトリウムで乾燥し、真空蒸発させて粗生成物を得た。これを、溶離液としてヘキサンを用いたシリカゲル上のフラッシュクロマトグラフ法により精製し、2.5gの2,5−ビス(5−ブロモ−2−チエニル)−3,4−ジオクチルチオフェンを得た。
1H−NMR(CDCl3):δ7.06(d,J=3.5Hz,2H),6.86(d,J=3.5Hz,2H),2.62(dd, J=7.3,7.3Hz,4H),1.55−1.49(m,4H),1.41−1.28(m,20H),0.89(t,J=6.5Hz,6H)
13C−NMR(CDCl3);δ140.6,137.4,130.2,129. 3,126.2,112.0,31.9,30.8, 29.8,29.2(2C),28.1,22.7, 14.2
【0053】
ポリ[2,5−ビス(2−チエニル)−3,4−ジオクチルチオフェン](2):無水テトラヒドロフラン(10ml)に溶解した2,5−ビス(5−ブロモ−2−チエニル)−3,4−ジオクチルチオフェン(2.46g、3.9mmol)の溶液に、調製直後のレイケZn(0.28g,4.29mmol)を無水テトラヒドロフラン(20ml)に懸濁したものを良く撹拌しながら、不活性雰囲気中で滴下して加え、この混合物を45分間室温で反応させた。次に、無水テトラヒドロフラン(35ml)に懸濁させたNi(dppe)Cl2(0.021g、0.04mmol)を注意しながら加えた。反応混合物を60℃で3時間加熱後、2Nの塩酸−メタノール溶液中に注いだ。沈殿したポリチオフェン生成物を濾過し、70mlの熱テトラヒドロフランに再溶解し、2Nのアンモニア−メタノール溶液から沈殿させた。この操作を2度繰り返し、酸とオリゴマーとを除いた。真空中、室温で乾燥後、1.6gの、Mw41,900、Mn11,800K、Tm180℃のポリ[2,5−ビス(2−チエニル)−3,4−ジオクチルチオフェン](2)を得た。
1H−NMR(CDCl3):δ7.30,7.13,7.05,2.73,1.59,1.45,1.29,0.89
13C−NMR(CDCl3):δ140.4,136.7,135.1,129. 8,126.4,123.9,31.9,30.7, 29.9,29.3,28.3,22.7,14.2
【0054】
図1及び図3にそれぞれ図示した、ひとつはボトムコンタクト型もうひとつはトップコンタクト型配置の2つの供試デバイスを、前述の製造手順に従い上記のポリチオフェンを用いて製造した。デバイスは、評価の前に真空中80℃で20時間乾燥させた。各デバイスに対し5個以上のトランジスタから得た平均特性値を次にまとめた。
(1)ボトムコンタクト型デバイス(W=1,000μm、L=10μm)
移動度:3.4×10-4〜1.3×10-3cm2/V.sec
初期電流オン/オフ比:0.8〜1.3×104
5日後の電流オン/オフ比:5.0〜7.0×103
(2)トップコンタクト型デバイス(W=5,000μm、L=60μm)
移動度:1.3〜3.1×10-3cm2/V.sec
初期電流オン/オフ比:1.5〜2.6×105
5日後の電流オン/オフ比:1.1〜2.0×105
30日後の電流オン/オフ比:8.0〜9.5×104
【0055】
初期電流オン/オフ比が大きく、時間を経ても電流オン/オフ比の低下が遅いことから、本発明の実施の形態のポリチオフェン半導体層が安定であることが示された。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明によるポリチオフェン類の実施の形態を用いた薄膜トランジスタ構造体の概略図である。
【図2】 本発明によるポリチオフェン類の実施の形態を用いた別の薄膜トランジスタ構造体の概略図である。
【図3】 本発明によるポリチオフェン類の実施の形態を用いた別の薄膜トランジスタ構造体の概略図である。
【図4】 本発明によるポリチオフェン類の実施の形態を用いた別の薄膜トランジスタ構造体の概略図である。
【符号の説明】
1 薄膜トランジスタ構造体、12 ポリチオフェン半導体層、14 絶縁性誘電体層、16 基板、18 ゲート電極、20 ソース電極、22 ドレイン電極、30 薄膜トランジスタ構造体、32 ポリチオフェン半導体層、34 絶縁性誘電体層、36 基板、38 ゲート電極、40 ソース電極、42 ドレイン電極、50 薄膜トランジスタ構造体、52 ポリチオフェン半導体層、54 酸化ケイ素誘電体層、56 シリコンウエハ、60 ソース電極、62 ドレイン電極、70 薄膜トランジスタ構造体、72 ポリチオフェン半導体層、74 絶縁性誘電体層、76 基板、78 ゲート電極、80 ソース電極、82 ドレイン電極。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates generally to organic microelectronic devices, and more particularly, in embodiments, to the use of polythiophenes as active materials in thin film transistors.
[0002]
[Prior art]
Semiconductor polymers such as certain polythiophenes that are useful as active semiconductor materials for thin film transistors (TFTs) have been reported. Many of these polymers have reasonably good solubility in organic solvents, so they can be processed into semiconductor channel layers in TFTs by solution processing such as spin coating, solution casting, dip coating, screen printing, stamp printing, jet printing, etc. can do. The ability to be processed by conventional solution processing makes it easier and less expensive to manufacture than conventional high cost photolithographic processing specific to silicon based devices such as hydrogenated amorphous silicon TFTs. In addition, a transistor made of a polymer material such as polythiophenes with excellent mechanical durability and structural flexibility, called a polymer TFT, is desired. Excellent mechanical durability and structural flexibility are highly desirable for the production of flexible TFTs on plastic substrates. Flexible TFTs are believed to enable the design of electronic devices that typically require structural flexibility and mechanical durability characteristics. The use of plastic substrates with organic or polymer transistor elements can replace conventional rugged silicon TFTs with mechanically more robust and structurally flexible polymer TFT designs. The latter is particularly interesting in that large area devices such as large area image sensors, electronic paper, and other display media as flexible TFTs can be made small and structurally flexible. In addition, the use of polymer TFTs for low-cost microelectronic integrated circuit logic elements such as smart cards and radio frequency data carrier (RFID) tags and memory / storage devices significantly improves their mechanical durability and their use. Longer possible life.
[0003]
[Patent Document 1]
US Pat. No. 6,150,191
[Patent Document 2]
US Pat. No. 6,107,117
[Patent Document 3]
US Pat. No. 5,969,376
[Patent Document 4]
US Pat. No. 5,619,357
[Patent Document 5]
US Pat. No. 5,777,070
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, many of the semiconductor polythiophenes are not stable when exposed to air because they are oxidatively doped with ambient oxygen and increase conductivity. As a result, devices made from these materials have a high off-current, which reduces the current on / off ratio. Therefore, many of these materials require strict measures to eliminate environmental oxygen and prevent oxidative doping during material processing and device fabrication. This precautionary measure increases the manufacturing cost, which detracts from the appeal of certain polymer TFTs as an economical alternative to amorphous silicon technology, especially for large area devices. These and other disadvantages are avoided or minimized in embodiments of the present invention.
[0005]
The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor polymer such as polythiophene that is useful for use in a microelectronic device such as a thin film transistor device.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
  Of the present inventionreferenceThe aspect is as follows. Below2An electronic device comprising polythiophene having the structural formula (I):
[0007]
[Chemical 2]
  In the formula, R and R ′ are side chains, A is a divalent linking group, x and y represent the number of unsubstituted thienylene units, z is 0 or 1, and the sum of x and y is Greater than 0, m represents the number of segments, and n represents the degree of polymerization. R and R 'are each independently an electronic device selected from alkyl and substituted alkyl, and A is arylene. R and R 'contain from about 3 to about 20 carbon atoms; R and R ′ are each independently selected from the group consisting of alkyl and alkyl derivatives, wherein the alkyl derivative is an alkoxyalkyl, a siloxy-substituted alkyl, a perhaloalkyl that is a perfluoroalkyl, and a polyether; The group consisting of arylene, wherein A is phenylene, biphenylene, phenanthrenylene, dihydrophenanthrenylene, fluorenylene, oligoarylene, methylene, polymethylene, dialkylmethylene, dioxyalkylene, dioxyarylene, and oligoethylene oxide Electronic device chosen more. R and R 'are each independently a device selected from the group consisting of propyl, butyl, pentyl, hexyl, heptyl, octyl, nonyl, decyl, undecyl, dodecyl, tridecyl, tetradecyl, pentadecyl, and isomers thereof. A device wherein A is arylene having from about 6 to about 40 carbon atoms; R and R ′ are selected from the group consisting of hexyl, heptyl, octyl, nonyl, decyl, undecyl, dodecyl, tridecyl, tetradecyl, and pentadecyl, A is selected from the group consisting of phenylene, biphenylene, and fluorenylene; A device wherein x and y are each independently a number from 0 to about 10, and m is a number from 1 to about 5. N is about 7 to about 5,000, and the number average molecular weight of polythiophene (M) determined by gel permeation chromatography using polystyrene standards.n) Is about 2,000 to about 100,000, and the weight average molecular weight (Mw) Is an electronic device of about 4,000 to about 500,000. A thin film transistor comprising: a substrate; a gate electrode; a gate dielectric layer; a source electrode and a drain electrode; and a semiconductor layer in contact with the source and drain electrodes and the gate dielectric layer, wherein the semiconductor layer comprises polythiophene. R and R ′ are each independently selected from the group consisting of alkyl, alkoxyalkyl, siloxy-substituted alkyl, and perhaloalkyl, and A is phenylene, biphenylene, phenanthrenylene, dihydrophenanthrenylene, fluorenylene, A thin film transistor device selected from the group consisting of oligoarylene, methylene, polymethylene, dialkylmethylene, dioxyalkylene, dioxyarylene, and oligoethylene oxide. N is about 5 to about 5,000, and the number average molecular weight of polythiophene (M) determined by gel permeation chromatography using polystyrene standards.n) Is about 4,000 to about 50,000, and the weight average molecular weight (Mw) Is about 5,000 to about 100,000 thin film transistor devices. A thin film transistor device wherein R and R 'are alkyl containing from about 3 to about 20 carbon atoms; A thin film transistor device wherein A is arylene having from about 6 to about 30 carbon atoms; A thin film transistor device wherein A is arylene having from about 6 to about 24 carbon atoms; A thin film transistor device wherein A is phenylene, biphenylene or fluorenylene; A thin film transistor device with a protective layer.;underRecordingDescribed in 3Structural formula (Represented by 2)PolythiopheWhere n is the degree of polymerization and is 5 to 5000.
[0008]
[Chemical Formula 3]
[Formula 4]
[Chemical formula 5]
A device wherein n is from about 5 to about 5,000; A device wherein n is from about 10 to about 1,000; MnIs about 4,000 to about 50,000, MwIs a device that is about 5,000 to about 100,000. ;Reference modePolythiophene isDescribed in 6, 7A device selected from the group consisting of polythiophenes having the structural formulas (1) to (8).
[0009]
[Chemical 6]
[Chemical 7]
;Reference modePolythiophene isFrom 8 to 11A thin film transistor device selected from the group consisting of polythiophenes having the structural formulas (1) to (14).
[0010]
[Chemical 8]
[Chemical 9]
[Chemical Formula 10]
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;Reference modePolythiophene isDescribed in 12 and 13A thin film transistor device selected from the group consisting of polythiophenes having the structural formulas (1) to (8): wherein n is from about 5 to about 5,000, if necessary.
[0011]
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X, y, and m are 1-3, z is 0 or 1, and the device is a thin film transistor. X, y, and m are 1, z is 0 or 1, and the device is a thin film transistor. X, y, and m are 1, and z is 0 or 1, or x, y, and m are 1, z is 0, and the device is a thin film transistor. The substrate is a plastic sheet that is polyester, polycarbonate, or polyimide; the gate, source, and drain electrodes include gold, nickel, aluminum, platinum, indium titanium oxide, or a conductive polymer; and the gate dielectric layer is A thin film transistor device comprising silicon nitride, silicon oxide, or an insulating polymer. A thin film transistor device in which the substrate is a glass or plastic sheet, the gate, source and drain electrodes each comprise gold and the gate dielectric layer comprises an organic polymer which is poly (methacrylate), poly (vinylphenol). The gate, source and drain electrodes comprise doped organic conducting polymer which is poly (3,4-ethylenedioxythiophene) doped with polystyrene sulfonate, or silver colloidally dispersed in a polymer binder A thin film transistor device manufactured from a conductive ink / paste, wherein the gate dielectric layer is an organic polymer or inorganic oxide particle-polymer composite. ;14Polythiophenes included in
[0012]
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Wherein R and R ′ are side chains, each independently selected from the group consisting of, for example, alkyl and alkyl derivatives, wherein the alkyl derivatives are perhaloalkyls such as alkoxyalkyl, siloxy-substituted alkyl, perfluoroalkyl, Polyethers such as oligoethylene oxide, polysiloxy, etc., A is a divalent linking group, for example, phenylene, biphenylene, phenanthrenylene, dihydrophenanthrenylene, fluorenylene, oligoarylene, methylene, polymethylene, dialkyl Selected from the group consisting of methylene, dioxyalkylene, dioxyarylene, and arylene such as oligoethylene oxide, x and y are each independently an integer selected from 0 to 10, and z is either 0 or 1 And the sum of x and y is 0 Ri large, m is from 1 to about 5 an integer, n represents a degree of polymerization, usually from about 5 to 5,000 or more, more specifically, from about 10 to about 1,000. In both cases, the number average molecular weight of polythiophenes (M) determined by gel permeation chromatography using polystyrene standards.n) Can be, for example, about 2,000 to about 100,000, more specifically about 4,000 to about 50,000, and its weight average molecular weight (Mw) Can be from about 4,000 to about 500,000, more particularly from about 5,000 to about 100,000.
[0013]
Examples of side chains R and R ′ include, for example, butyl, pentyl, hexyl, heptyl, octyl, nonyl, decyl, undecyl, dodecyl, those having about 1 to about 25 carbon atoms, more specifically about 4 to about 12 carbon atoms. Such as methoxypropyl, methoxybutyl, methoxyhexyl, methoxyheptyl, etc., polyether chains such as polyethylene oxide, perfluoroalkyl (eg, nona Perhaloalkyl such as fluorohexyl, nonafluoroheptyl, pentadecafluorooctyl, tridecafluorononyl, etc.), and polysiloxy chains such as trialkylsiloxyalkyl.
[0014]
The polythiophenes used can contain repeating thienylene units, in which only certain thienylenes have side chains, and the thienylene units are regioregularly arranged on the polythiophene main chain. ing.
[0015]
This polythiophene is substantially stable in the embodiment, and a device can be manufactured using it under ambient conditions. The device also has a high current on / off ratio, is more stable in operation, and its performance is usually known regioregular polythiophenes such as regioregular poly (3-alkylthiophene-2,5-diyl) It does not drop as rapidly as those manufactured from More specifically, the polythiophenes of the present invention are, in embodiments, 3,4-disubstituted-2, which is sandwiched between unsubstituted 2,5-thienylene units and optionally a divalent linking group. Contains repeating segments of 5-thienylene units. The side chain facilitates the induction and promotion of molecular self-assembly of polythiophenes during thin film manufacture. Unsubstituted thienylene units with some rotational freedom and optional divalent linking groups can prevent π conjugation extending along the polythiophene chain and suppress its oxidative doping tendency.
[0016]
According to the above features, the present invention can provide a semiconductor polymer such as polythiophene that is useful for a microelectronic device such as a thin film transistor device.
[0017]
The present invention also provides polythiophenes having a band gap of about 1.5 to about 3 eV determined from the absorption spectrum of the thin film, and these polythiophenes are suitable for use as a thin film transistor semiconductor channel layer material.
[0018]
Furthermore, the present invention provides polythiophenes useful as microelectronic components, which are suitable for common organic solvents such as dichloromethane, tetrahydrofuran, toluene, xylene, mesitylene, chlorobenzene, etc. It has a solubility of 1% by weight or more and can therefore be processed economically by solution processing such as spin coating, screen printing, stamp printing, dip coating, solution casting, jet printing and the like.
[0019]
Another feature of the present invention is that it has a polythiophene channel layer and the conductivity of the layer is 10-6~ About 10-9The provision of electronic devices such as thin film transistors that are S / cm (Siemens / centimeter).
[0020]
Yet another feature of the present invention is the provision of polythiophenes and devices using the same, which devices exhibit excellent resistance to the adverse effects of oxygen, i.e., the device has a relatively high current on / off ratio. Its performance is usually shown to be similar to that produced from regioregular polythiophenes, such as regioregular poly (3-alkylthiophene-2,5-diyl), without abrupt or minimal degradation. Degree.
[0021]
Another feature of the present invention is that the polythiophenes have special structural characteristics that allow the molecules to self-arrange under appropriate processing conditions and that the structural characteristics also improve the stability of device performance. Is an offer. Appropriate molecular arrangements form higher order molecular structure arrangements in the thin film and efficiently move charge carriers to enable high electrical performance.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  The thin film transistor in this embodiment includes:RecordingDescribed in 15Structural formula (Represented by 2)PolythiopheWherein n is the degree of polymerization and is characterized by being 5 to 5000. PoExamples of lithiophenesTheBelowFrom 15 to 18.
[0023]
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  With reference to structural formula (I), the polythiophenes include 3,4-disubstituted-2,5-thienylene units, unsubstituted 2,5-thienylene units, and optionally a divalent linking group. The position regularity segment is included. The regioregularity of the side chains in polythiophene (I) (see structural formulas (1) to (14)) induces molecular self-alignment during the production of the thin film under appropriate processing conditions. It is believed that highly organized microstructures can be made. Higher order microstructures in the semiconductor channel layer of the thin film transistor improve transistor performance. These polythiophenes form a strong intramolecular π-π stack when a thin film with a thickness of about 10 to about 500 nm is formed from a solution dissolved in an appropriate solvent system, and become conductive and efficiently transfer charge carriers. It is thought that. Since the unsubstituted thienylene moiety in (I) has some degree of rotational freedom, it prevents the π conjugation spreading in the molecule of (I) to such an extent that oxidative doping is sufficiently suppressed. Thus, the polythiophenes are stable under ambient conditions, and devices made from these polythiophenes are more functional than regioregular polythiophenes such as regioregular poly (3-alkylthiophene-2,5-diyl) Is more stable. Even without protection, devices made from polythiophenes of structural formula (I) are stable in their embodiments, usually for weeks to months, for example about 3 to about 12 weeks. On the other hand, a device using regioregular poly (3-alkylthiophene-2,5-diyl) degrades in a few days, for example, in less than 5 days, when exposed to ambient oxygen. Devices made from the polythiophenes of this application also have a high current on / off ratio, and their performance has strict operational precautions to eliminate ambient oxygen during material preparation, device manufacturing, and evaluation. Even without it, it does not change as rapidly as that of poly (3-alkylthiophene-2,5-diyl). Materials that are stable to oxidative doping are particularly useful in the manufacture of low cost devices. Because this material is more stable, it usually does not need to be handled in a strictly inert atmosphere, so the manufacturing process is simpler and less expensive, and the process can be a simple large-scale manufacturing process. .
[0024]
In embodiments, the polythiophenes are soluble in common coating solvents such as about 0.1% by weight in solvents such as dichloromethane, 1,2-dichloroethane, tetrahydrofuran, toluene, xylene, mesitylene, chlorobenzene and the like. More particularly, it has a solubility of about 0.5 to about 15% by weight. Further, when this polythiophene is processed into a semiconductor channel layer of a thin film transistor device, a stable conductivity is obtained. For example, according to a general 4-probe conductivity measurement method, about 10-9~ About 10-6S / cm, more specifically about 10-8~ About 10-7S / cm.
[0025]
The polythiophenes of the present invention can be prepared by the polymerization of appropriately assembled monomers, such as trithiophene monomers. For example, to prepare exemplary polythiophenes (Ia) and (Ib) according to Scheme 1, 2,5-bis (2-thienyl) -3,4-di-R-thiophene (IIa), or 2,5 -Bis (5-bromo-2-thienyl) -3,4-di-R-thiophene (IIb) is used. Since the monomers (IIa) and (IIb) each have two side chains on the central thienylene unit, the polythiophenes (Ia) and (Ia) in which the side chains are arranged regioregularly on the respective polythiophene main chains upon polymerization. (Ib). Unlike the preparation of regioregular polythiophenes such as poly (3-alkylthiophene-2,5-diyl), which requires a regioregular coupling reaction, the polythiophenes of the present invention have no regioregular complexity. It can be prepared by a usual polymerization method. Specifically, (Ia) is FeClThreeNi (dppe) Cl from monomer (IIa) by treatment with oxidative coupling polymerization mediated by or from Reike zinc2It can be prepared from monomer (IIb) by adding a catalyst. On the other hand, polythiophene (Ib) can be easily obtained from (IIb) by a Suzuki coupling reaction with an appropriate arylene boronate.
[0026]
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  Specifically, the polymerization of (IIa) is carried out in a stream of dry air with 1 mole of (IIa) dissolved in a chloride solvent, eg chloroform.ThisAbout 1 to about 5 molar equivalents of anhydrous FeCl3Can be added to the chloroform suspension. The resulting mixture is reacted at a temperature of about 25 to about 50 ° C. for about 30 minutes to about 48 hours in a dry air stream or slowly passing a bubble of dry air through the reaction mixture. After the reaction, the reaction mixture is washed with water or dilute aqueous hydrochloric acid, stirred with dilute aqueous ammonia, then washed with water, and then precipitated from methanol or acetone to isolate the polymer product. In the Reyke zinc method, 10 mmol equivalent of (IIb) dissolved in anhydrous tetrahydrofuran was added dropwise with good stirring over 20 to 40 minutes to an anhydrous tetrahydrofuran suspension of Reike Zn immediately after preparation of 11 mmol equivalent. The resulting mixture is then allowed to react at room temperature (about 22 to about 25 ° C.) for about 30 minutes to about 2 hours. Subsequently, about 0.1 mmol equivalent of Ni (dppe) Cl.2Is slowly added over about 10 to about 20 minutes and the mixture is then heated at about 40 to about 65 ° C. for 2 to 5 hours. The reaction mixture is then poured into dilute hydrochloric acid-methanol solution with vigorous stirring to precipitate the polymer product. The latter is redissolved in hot tetrahydrofuran and then reprecipitated from dilute ammonia-methanol solution.
[0027]
More specifically, polythiophene (Ib) is obtained from a Suzuki coupling reaction of monomer (IIb) with a suitable arylene boronate. About 2 to about 4 molar equivalents of a toluene solution of equimolar equivalents of monomer (IIb) and arylenediboronate, about 2 to 6 mole percent tetrakis (triphenylphosphine) palladium, and a 1-2 M aqueous solution. About 1-5 mol% of a phase transfer catalyst such as tetrabutylammonium chloride or tricaprylylmethylammonium chloride in an inert atmosphere for about 90 hours. Heat to ° C. After polymerization, the polythiophene product (Ib) is isolated by repeated precipitation from methanol.
[0028]
Various exemplary embodiments of the present invention are shown in FIGS. Here, polythiophenes are used as channel materials in the thin film transistor (TFT) structure.
[0029]
FIG. 1 shows a substrate 16, a metal contact 18 in contact with it (gate electrode), a layer of insulating dielectric layer 14, and two metal contacts 20 and 22 (source and drain) placed on or on top of it. 1 is a schematic view of a thin film transistor structure 10 including an electrode). Between the metal contacts 20 and 22 is a polythiophene semiconductor layer 12.
[0030]
FIG. 2 is a schematic diagram of another thin film transistor structure 30 that includes a substrate 36, a gate electrode 38, a source electrode 40, a drain electrode 42, an insulating dielectric layer 34, and a polythiophene semiconductor layer 32. .
[0031]
FIG. 3 shows a heavily n-doped silicon wafer 56 acting as a gate electrode, a thermally generated silicon oxide dielectric layer 54, a polythiophene semiconductor layer 52, and a source electrode 60 and a drain electrode 62 placed thereon. 1 is a schematic view of a thin film transistor structure 50 including
[0032]
FIG. 4 is a schematic diagram of another thin film transistor structure 70 that includes a substrate 76, a gate electrode 78, a source electrode 80, a drain electrode 82, a polythiophene semiconductor layer 72, and an insulating dielectric layer 74. .
[0033]
In some embodiments of the present invention, a protective layer may be added on each of the transistor structures of FIGS. In the thin film transistor structure of FIG. 4, the insulating dielectric layer 74 can also function as a protective layer.
[0034]
The substrate layer is generally a silicon material containing various suitable forms of silicon, glass plates, plastic films or sheets, etc., depending on the intended application. For a structurally flexible device, for example, a plastic substrate such as polyester, polycarbonate, or polyimide sheet is desirable. The thickness of the substrate is about 10 μm to 10 mm or more, and the detailed thickness is about 50 to about 100 μm, especially for flexible plastic substrates, and about 1 to about 10 mm for rigid substrates such as glass or silicon. .
[0035]
The insulating dielectric layer that is in contact with the semiconductor layer with the gate electrode separated from the source and drain electrodes can generally be an inorganic material film, an organic polymer film, or an organic-inorganic composite film. The thickness of the dielectric layer is, for example, about 10 nm to about 1 μm, and the more detailed thickness is about 100 to about 500 nm. Specific examples of inorganic materials suitable for the dielectric layer include silicon oxide, silicon nitride, aluminum oxide, barium titanate, barium zirconate titanate, etc. Specific examples of organic polymers suitable for the dielectric layer Examples include polyesters, polycarbonates, poly (vinylphenol), polyimides, polystyrene, poly (methacrylates), poly (acrylates), epoxy resins, and the like. Specific examples of inorganic-organic composite materials include: Examples thereof include ultrafine metal oxide particles dispersed in a polymer such as polyester, polyimide, and epoxy resin. The thickness of the insulating dielectric layer is typically about 50 to about 500 nm, depending on the dielectric constant of the dielectric material used. More specifically, since the dielectric material has a dielectric constant greater than or equal to about 3, a suitable dielectric thickness of about 300 nm is desirable capacitance, eg, about 10-9~ About 10-7F / cm2It can be.
[0036]
An active semiconductor layer containing polythiophenes described in this application is placed between the dielectric layer and the source / drain electrodes. The thickness of this layer is usually from about 10 nm to about 1 μm, or from about 40 to about 100 nm. This layer can usually be produced from a solution of the polythiophenes of the present invention by solution processing such as spin coating, casting, screen, stamp, or jet printing.
[0037]
The gate electrode can be a metal thin film, a conductive polymer film, a conductive film made from a conductive ink or paste, or the substrate itself (eg, highly doped silicon). Examples of gate electrode materials include, but are not limited to, aluminum, gold, chromium, indium tin oxide, conductive polymers, conductive ink / paste, and the like. The conductive polymer is poly (3,4-ethylenedioxythiophene) doped with polystyrene sulfonate (PSS- / PEDOT), and the conductive ink / paste is carbon black / graphite or colloidal silver polymer. Dispersed in a binder (for example, ELECTRODAG manufactured by Acheson Colloids Company) or conductive thermoplastic ink filled with silver (manufactured by Noelle Industries). The gate layer can be prepared by vacuum deposition, sputtering of metals or conductive metal oxides, conductive polymer solutions or conductive inks by spin coating, casting, or printing. The thickness of the gate electrode layer is in the range of about 10 nm to about 10 μm, the preferred thickness for the metal thin film is in the range of about 10 to about 200 nm, and for polymer conductors is in the range of about 1 to about 10 μm.
[0038]
The source and drain electrode layers can be manufactured from a material that provides a low resistance ohmic contact to the semiconductor layer. Typical materials suitable for use as source and drain electrodes include those listed as gate electrode materials such as gold, nickel, aluminum, platinum, conductive polymers, conductive inks, and the like. Typical thickness of this layer is, for example, from about 40 nm to about 1 μm, with a more detailed thickness being about 100 to about 400 nm. The TFT device structure comprises a semiconductor channel having a width W and a length L. The semiconductor channel width is about 10 μm to about 5 mm, and the desired channel width is about 100 μm to about 1 mm. The semiconductor channel length is about 1 μm to about 1 mm, and the more detailed channel length is about 5 to about 100 μm.
[0039]
The source electrode is grounded and typically has a bias of about 0 to about −80 volts to collect charge carriers that move through the semiconductor channel when a voltage of about +10 to about −80 volts is applied to the gate electrode. A voltage is applied to the drain electrode.
[0040]
【Example】
a) Device manufacture:
As a basic arrangement of the device under test, the bottom contact type and top contact type thin film transistor structures shown in FIGS. 1 and 3 were used. The bottom contact type test device includes a series of transistor dielectric layers that are pre-patterned with a photographic plate on a glass substrate, and electrodes having a prescribed channel width and length. The gate electrode on the glass substrate was made of chromium with a thickness of about 80 nm. The gate dielectric is about 22 nF / cm2It was 300 nm thick silicon nitride with a capacitance of (nanofarad / square centimeter). Source and drain contacts made of about 100 nm thick gold were vacuum deposited over or on top of the gate dielectric layer. Next, a test polythiophene semiconductor layer having a thickness of about 30 to about 100 nm was applied by spin coating under ambient conditions without taking any measures to prevent exposure to ambient oxygen, moisture, or light. The solution used for the production of the semiconductor layer consisted of 1% by weight of polythiophene dissolved in a suitable solvent and was filtered through a 0.45 μm filter before use. The spin coating was performed at a rotational speed of 1,000 rpm for about 35 seconds. The obtained coated device was dried for 20 hours at 80 ° C. in a vacuum, and then subjected to evaluation.
[0041]
The top contact type test device includes an n-doped silicon wafer and a silicon oxide layer having a thickness of about 110 nm that is thermally generated thereon. While the wafer functions as the gate electrode, the silicon oxide layer acts as the gate dielectric and its capacitance is about 32 nF / cm.2Met. The silicon wafer was first cleaned with methanol, air-dried, and then immersed in a 0.01 M 1,1,1,3,3,3-hexamethyldisilazane dichloromethane solution at room temperature (22-25 ° C.) for 30 minutes. . The wafer was then washed with dichloromethane and dried. A semiconductor polythiophene layer having a thickness of about 30 to about 100 nm was applied onto the silicon oxide dielectric layer by spin coating and dried in a vacuum at 80 ° C. for 20 hours. During device manufacture, no measures were taken to prevent exposure of the material to ambient oxygen, moisture, or light. Next, gold source and drain electrodes were vacuum deposited over the semiconductor polythiophene layer through shadow masks of various channel lengths and widths to produce a series of transistors of various sizes. As a precaution, the manufactured device was stored in a dark place in a dry atmosphere with a relative humidity of about 30% before and after evaluation.
[0042]
b) TFT device characteristics evaluation:
The performance of the field effect transistor was evaluated at ambient conditions in a dark box using a Keithley 4200 SCS semiconductor characterization device. Carrier mobility (μ) is the saturation region (gate voltage, VG<Source-drain voltage, VSD) Was calculated according to the following equation (1).
[0043]
[Formula 1]
ISD= Ciμ (W / 2L) (VG-VT)2      (1)
Where ISDIs the drain current in the saturation region, W and L are the width and length of the semiconductor channel, respectively, and CiIs the capacitance per unit area of the gate dielectric layer and VGAnd VTAre the gate voltage and the threshold voltage, respectively. V of this deviceTIs I in the saturation regionSDFrom the square root ofSD= V of the device obtained by extrapolating 0GIt was calculated from the relationship.
[0044]
The value representing the characteristics of the thin film transistor is its current on / off ratio. This is the gate voltage VGIs the drain voltage VDSaturation source-drain current and the gate voltage VGIs the ratio to the source-drain current when is zero.
[0045]
Comparative example
The above procedure is essentially repeated except that a known regioregular polythiophene, poly (3-hexylthiophene-2,5-diyl) is used, and the bottom contact type device and the top contact shown in FIGS. 1 and 3, respectively. A mold device was manufactured. This material was purchased from Aldrich Chemical and purified by repeating the precipitation from the chlorobenzene solution into methanol three times.
[0046]
The semiconductor polythiophene layer was coated on the device under ambient conditions by spin coating of a 1% by weight regioregular poly (3-hexylthiophene-2,5-diyl) chlorobenzene solution according to the procedure described above. The device was dried in vacuum at 80 ° C. for 20 hours before evaluation. The average characteristic values obtained from five or more transistors for each device are summarized below.
(1) Bottom contact type device (W = 1,000 μm, L = 10 μm)
Mobility: 1 to 2.3 × 10-3cm2/ V. sec
Initial current on / off ratio: 0.8 to 1 × 10Three
Current on / off ratio after 5 days: 5-10
(2) Top contact type device (W = 5,000 μm, L = 60 μm)
Mobility: 1-1.2 × 10-2cm2/ V. sec
Initial current on / off ratio: 1.5 to 2.1 × 10Three
Current on / off ratio after 5 days: 5-10
[0047]
The observed low initial current on / off ratio is that poly (3-hexylthiophene-2,5-diyl) is susceptible to oxidative doping, ie, poly (3-hexylthiophene-2 in the presence of ambient oxygen , 5-diyl) is unstable. The significant decrease in current on / off ratio within only 5 days further supports the severe functional instability of poly (3-hexylthiophene-2,5-diyl) at ambient conditions.
[0048]
Example
(A) Synthesis of poly [2,5-bis (2-thienyl) -3,4-dioctylthiophene] (2)
i) Synthesis of monomer: The monomer used for the preparation of polythiophene (2), 2,5-bis (5-bromo-2-thienyl) -3,4-dioctylthiophene, was synthesized as follows.
[0049]
3,4-Dioctylthiophene: Dichloro [1,3-bis (diphenylphosphino) propane] nickel (II) dissolved in 200 ml of anhydrous diethyl ether in a 500 ml round bottom flask cooled with an ice bath in an inert atmosphere. ) (0.2 g) and 3,4-dibromothiophene (20.16 g, 0.0833 mol) while stirring well, 2M octylmagnesium bromide (100 ml, 0.2 mol) in anhydrous diethyl ether The solution was added. The nickel complex immediately reacted with the Grignard reagent and the resulting reaction mixture was allowed to warm to room temperature. The exothermic reaction started within 30 minutes and diethyl ether began to gently reflux. After further stirring for 2 hours at room temperature, the reaction mixture was refluxed for 6 hours, cooled in an ice bath and hydrolyzed with 2N aqueous hydrochloric acid. The organic layer was separated, washed with water, then with brine, washed again with water and then dried over anhydrous sodium sulfate. After evaporation of the solvent, the residue was distilled under reduced pressure through a Kugelrohr device to give 21.3 g of 3,4-dioctylthiophene as a colorless liquid.
1H-NMR (CDClThree): Δ 6.89 (s, 2H), 2.50 (t, J = 7.0 Hz, 4H), 1.64-1.58 (m, 4H), 1.40-1.28 (m, 20H) ), 0.89 (t, J = 6.5 Hz, 6H)
13C-NMR (CDClThree): Δ 142.1, 119.8, 31.9, 29.6 (2C), 29.5, 29.3, 28.8, 22.7, 14.1.
[0050]
2,5-dibromo-3,4-dioctylthiophene: 3,4-dioctylthiophene (3.6 g, 11.7 mmol) dissolved in a mixture of 30 ml dichloromethane and 10 ml acetic acid in a 100 ml round bottom flask To this well stirred N-bromosuccinimide (4.6 g, 25.7 mmol) was added. When the reaction state was observed by thin layer chromatography, it was completed in about 35 minutes. The mixture was diluted with 160 ml of dichloromethane and filtered to remove succinimide. The filtrate was washed with 2N aqueous sodium hydroxide solution and then twice with water (2 × 100 ml). After drying over anhydrous sodium sulfate, the solvent was removed to obtain 5.4 g of 2,5-dibromo-3,4-dioctylthiophene as a pale yellow liquid.
1H-NMR (CDClThree): Δ 2.50 (t, J = 7.0 Hz, 4H), 1.52-1.28 (m, 24H), 0.89 (t, J = 6.5 Hz, 6H)
[0051]
2,5-bis (2-thienyl) -3,4-dioctylthiophene: 2,5-dibromo dissolved in anhydrous tetrahydrofuran (50 ml) in a 250 ml round bottom flask in a dry box in an inert atmosphere A mixture of −3,4-dioctylthiophene (4.2 g, 9.0 mmol) and 2- (tributyltin) thiophene (7.4 g, 19.8 mmol) was added to Pd (PPhThree)2Cl2(0.15 g, 0.2 mmol) was added. The mixture was then refluxed for 12 hours and the solvent was distilled off. The crude product thus obtained was purified by flash chromatography on silica gel using hexane as the eluent and 3.1 g of 2,5-bis (2-thienyl) -3,4- Dioctylthiophene was obtained.
1H-NMR (CDClThree): Δ 7.31 (dd, J = 3.2, 0.5 Hz, 2 H), 7.13 (dd, J = 2.2, 0.5 Hz, 2H), 7.06 (dd, J = 2) .2, 4.5 Hz, 2H), 2.68 (dd, J = 7.6, 7.6 Hz, 4H), 1.59-1.53 (m, 4H), 1.42-1.27 ( m, 20H), 0.91 (t, J = 6.5 Hz, 6H)
[0052]
2,5-bis (5-bromo-2-thienyl) -3,4-dioctylthiophene: 2,5 dissolved in N, N-dimethylformamide (30 ml) in a 100 ml round bottom flask cooled in an ice bath While stirring a solution of -bis (2-thienyl) -3,4-dioctylthiophene (3.6 g, 7.6 mmol), N-bromosuccinimide (2.8 g, 15.7 mmol) was added thereto. After the addition, the mixture was allowed to warm slowly to room temperature. When the reaction was observed by thin layer chromatography, the reaction stopped after 3 hours. The resulting mixture was diluted with hexane (170 ml) and washed 3 times with 100 ml water. The organic layer was separated, dried over anhydrous sodium sulfate and evaporated in vacuo to give the crude product. This was purified by flash chromatography on silica gel using hexane as the eluent to give 2.5 g of 2,5-bis (5-bromo-2-thienyl) -3,4-dioctylthiophene.
1H-NMR (CDClThree): Δ 7.06 (d, J = 3.5 Hz, 2H), 6.86 (d, J = 3.5 Hz, 2H), 2.62 (dd, J = 7.3, 7.3 Hz, 4H) , 1.55-1.49 (m, 4H), 1.41-1.28 (m, 20H), 0.89 (t, J = 6.5 Hz, 6H)
13C-NMR (CDClThree); Δ 140.6, 137.4, 130.2, 129. 3, 126.2, 112.0, 31.9, 30.8, 29.8, 29.2 (2C), 28.1, 22.7, 14.2.
[0053]
Poly [2,5-bis (2-thienyl) -3,4-dioctylthiophene] (2): 2,5-bis (5-bromo-2-thienyl) -3,4 dissolved in anhydrous tetrahydrofuran (10 ml) -An inert atmosphere while stirring well a solution of diketylthiophene (2.46 g, 3.9 mmol) in a fresh tetrahydrofuran (20 ml) suspended in reiki Zn (0.28 g, 4.29 mmol) Added dropwise in, and the mixture was allowed to react for 45 minutes at room temperature. Next, Ni (dppe) Cl suspended in anhydrous tetrahydrofuran (35 ml).2(0.021 g, 0.04 mmol) was added carefully. The reaction mixture was heated at 60 ° C. for 3 hours and then poured into a 2N hydrochloric acid-methanol solution. The precipitated polythiophene product was filtered, redissolved in 70 ml of hot tetrahydrofuran and precipitated from a 2N ammonia-methanol solution. This operation was repeated twice to remove the acid and oligomer. 1.6 g of M after drying in vacuum at room temperaturew41,900, MnA poly [2,5-bis (2-thienyl) -3,4-dioctylthiophene] (2) having a temperature of 11,800 K and Tm of 180 ° C. was obtained.
1H-NMR (CDClThree): Δ 7.30, 7.13, 7.05, 2.73, 1.59, 1.45, 1.29, 0.89
13C-NMR (CDClThree): Δ 140.4, 136.7, 135.1, 129. 8, 126.4, 123.9, 31.9, 30.7, 29.9, 29.3, 28.3, 22.7, 14.2.
[0054]
Two test devices, one bottom contact type and one top contact type arrangement, respectively illustrated in FIGS. 1 and 3, were manufactured using the polythiophene according to the above-described manufacturing procedure. The device was dried in vacuum at 80 ° C. for 20 hours prior to evaluation. The average characteristic values obtained from five or more transistors for each device are summarized below.
(1) Bottom contact type device (W = 1,000 μm, L = 10 μm)
Mobility: 3.4 × 10-Four~ 1.3 × 10-3cm2/ V. sec
Initial current on / off ratio: 0.8 to 1.3 × 10Four
Current on / off ratio after 5 days: 5.0 to 7.0 × 10Three
(2) Top contact type device (W = 5,000 μm, L = 60 μm)
Mobility: 1.3-3.1 × 10-3cm2/ V. sec
Initial current on / off ratio: 1.5 to 2.6 × 10Five
Current on / off ratio after 5 days: 1.1 to 2.0 × 10Five
Current on / off ratio after 30 days: 8.0 to 9.5 × 10Four
[0055]
Since the initial current on / off ratio is large and the current on / off ratio declines slowly over time, it was shown that the polythiophene semiconductor layer of the embodiment of the present invention is stable.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram of a thin film transistor structure using an embodiment of polythiophenes according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram of another thin film transistor structure using an embodiment of polythiophenes according to the present invention.
FIG. 3 is a schematic diagram of another thin film transistor structure using an embodiment of polythiophenes according to the present invention.
FIG. 4 is a schematic diagram of another thin film transistor structure using an embodiment of polythiophenes according to the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Thin-film transistor structure, 12 Polythiophene semiconductor layer, 14 Insulating dielectric layer, 16 Substrate, 18 Gate electrode, 20 Source electrode, 22 Drain electrode, 30 Thin-film transistor structure, 32 Polythiophene semiconductor layer, 34 Insulating dielectric layer, 36 Substrate, 38 gate electrode, 40 source electrode, 42 drain electrode, 50 thin film transistor structure, 52 polythiophene semiconductor layer, 54 silicon oxide dielectric layer, 56 silicon wafer, 60 source electrode, 62 drain electrode, 70 thin film transistor structure, 72 polythiophene Semiconductor layer, 74 insulating dielectric layer, 76 substrate, 78 gate electrode, 80 source electrode, 82 drain electrode.

Claims (1)

薄膜トランジスタであって、下記構造式(2)で表されるポリチオフェンを含み、式中、nは重合度であって、5から5000であることを特徴とする薄膜トランジスタ。
A thin film transistor comprising a polythiophene represented by the following structural formula ( 2) , wherein n is a polymerization degree and is 5 to 5,000.
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